JP7729299B2 - Semiconductor photodetector - Google Patents
Semiconductor photodetectorInfo
- Publication number
- JP7729299B2 JP7729299B2 JP2022157893A JP2022157893A JP7729299B2 JP 7729299 B2 JP7729299 B2 JP 7729299B2 JP 2022157893 A JP2022157893 A JP 2022157893A JP 2022157893 A JP2022157893 A JP 2022157893A JP 7729299 B2 JP7729299 B2 JP 7729299B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- gallium arsenide
- semiconductor
- monolayers
- gaas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/223—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PIN barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/12—Active materials
- H10F77/124—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
- H10F77/1248—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
本開示は、半導体受光素子に関する。 This disclosure relates to a semiconductor light-receiving element.
非特許文献1は、n型のインジウムリン(InP)基板上に設けられた受光層を備えるフォトダイオードを開示する。受光層は、150ペアのタイプIIの超格子を有する。1ペアは、ガリウムインジウムヒ素(GaInAs)層とガリウムヒ素アンチモン(GaAsSb)層とを含む。 Non-Patent Document 1 discloses a photodiode having a light-receiving layer provided on an n-type indium phosphide (InP) substrate. The light-receiving layer has 150 pairs of type II superlattices. Each pair includes a gallium indium arsenide (GaInAs) layer and a gallium arsenide antimonide (GaAsSb) layer.
上記フォトダイオードでは、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向によって大きく変化する。 In the above photodiode, the spectrum of the optical absorption coefficient changes significantly depending on the polarization direction of the incident light.
本開示は、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する光吸収係数のスペクトルを備える半導体受光素子を提供する。 The present disclosure provides a semiconductor light-receiving element with a spectrum of optical absorption coefficients that has low dependence on the polarization direction of incident light.
本開示の一側面に係る半導体受光素子は、第1導電型の第1III-V族半導体層と、第2導電型の第2III-V族半導体層と、第1方向において、前記第1III-V族半導体層と前記第2III-V族半導体層との間に設けられた受光層と、を備え、前記受光層は、前記第1方向に積層された複数の単位構造を備え、前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、前記積層体は、j個のガリウムヒ素単分子層を含む第1ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第1インジウムヒ素層と、k個の積層構造と、j-1個のガリウムヒ素単分子層を含む第2ガリウムヒ素層と、を含み、前記第2ガリウムヒ素層、前記k個の積層構造、前記第1インジウムヒ素層および前記第1ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、前記k個の積層構造のそれぞれは、n個のガリウムヒ素単分子層を含む第3ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第2インジウムヒ素層と、を含み、前記k個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第2インジウムヒ素層および前記第3ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、j、mおよびnのそれぞれは1以上の整数であり、kは0以上の整数である。 A semiconductor light-receiving element according to one aspect of the present disclosure comprises a first III-V group semiconductor layer of a first conductivity type, a second III-V group semiconductor layer of a second conductivity type, and a light-receiving layer provided between the first III-V group semiconductor layer and the second III-V group semiconductor layer in a first direction, the light-receiving layer comprising a plurality of unit structures stacked in the first direction, each of the plurality of unit structures including a laminate and a gallium arsenide antimonide layer, the laminate comprising a first gallium arsenide layer including j gallium arsenide monolayers, a first indium arsenide layer including m indium arsenide monolayers, k laminate structures, and j-1 gallium arsenide antimonide layers. and a second gallium arsenide layer including an arsenic monolayer, wherein the second gallium arsenide layer, the k stacked structures, the first indium arsenide layer, and the first gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction, and each of the k stacked structures includes a third gallium arsenide layer including n gallium arsenide monolayers and a second indium arsenide layer including m indium arsenide monolayers, and in each of the k stacked structures, the second indium arsenide layer and the third gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction, and each of j, m, and n is an integer greater than or equal to 1, and k is an integer greater than or equal to 0.
本開示によれば、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する光吸収係数のスペクトルを備える半導体受光素子が提供される。 The present disclosure provides a semiconductor light-receiving element having a spectrum of optical absorption coefficients that has low dependence on the polarization direction of incident light.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
Description of the embodiments of the present disclosure
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
(1)半導体受光素子は、第1導電型の第1III-V族半導体層と、第2導電型の第2III-V族半導体層と、第1方向において、前記第1III-V族半導体層と前記第2III-V族半導体層との間に設けられた受光層と、を備え、前記受光層は、前記第1方向に積層された複数の単位構造を備え、前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、前記積層体は、j個のガリウムヒ素単分子層を含む第1ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第1インジウムヒ素層と、k個の積層構造と、j-1個のガリウムヒ素単分子層を含む第2ガリウムヒ素層と、を含み、前記第2ガリウムヒ素層、前記k個の積層構造、前記第1インジウムヒ素層および前記第1ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、前記k個の積層構造のそれぞれは、n個のガリウムヒ素単分子層を含む第3ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第2インジウムヒ素層と、を含み、前記k個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第2インジウムヒ素層および前記第3ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、j、mおよびnのそれぞれは1以上の整数であり、kは0以上の整数である。 (1) A semiconductor light-receiving element includes a first III-V group semiconductor layer of a first conductivity type, a second III-V group semiconductor layer of a second conductivity type, and a light-receiving layer provided between the first III-V group semiconductor layer and the second III-V group semiconductor layer in a first direction, the light-receiving layer including a plurality of unit structures stacked in the first direction, each of the plurality of unit structures including a laminate and a gallium arsenide antimony layer, the laminate including a first gallium arsenide layer including j gallium arsenide monolayers, a first indium arsenide layer including m indium arsenide monolayers, k laminate structures, and j-1 gallium arsenide monolayers. and a second gallium arsenide layer including n monolayers, wherein the second gallium arsenide layer, the k stacked structures, the first indium arsenide layer, and the first gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction, and each of the k stacked structures includes a third gallium arsenide layer including n monolayers of gallium arsenide, and a second indium arsenide layer including m monolayers of indium arsenide, and in each of the k stacked structures, the second indium arsenide layer and the third gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction, and each of j, m, and n is an integer greater than or equal to 1, and k is an integer greater than or equal to 0.
上記半導体受光素子によれば、各単位構造中の積層体が電子井戸層として機能する。上記半導体受光素子では、各単位構造中の電子井戸層がGaInAs層のみからなる場合に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。これは、第1方向において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有するからと考えられる。 In the semiconductor light-receiving element described above, the stacked layers in each unit structure function as electron well layers. In the semiconductor light-receiving element described above, the spectrum of the optical absorption coefficient has a lower dependence on the polarization direction of the incident light than when the electron well layer in each unit structure consists of only a GaInAs layer. This is thought to be because the atomic arrangement is symmetrical with respect to the center position of the electron well layer in the first direction.
(2)上記(1)において、半導体受光素子はインジウムリン基板をさらに備えてもよく、前記第1方向において、前記第1III-V族半導体層は、前記インジウムリン基板と前記受光層との間に設けられてもよく、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成をy、前記積層体におけるガリウムヒ素単分子層の数とインジウムヒ素単分子層の数との和に対するガリウムヒ素単分子層の数の割合をrとすると、
0.95<y+r<1.05
が満たされてもよい。この場合、ガリウムヒ素アンチモン層の格子歪みを小さくできる。
(2) In the above (1), the semiconductor light-receiving element may further include an indium phosphide substrate, and the first III-V group semiconductor layer may be provided between the indium phosphide substrate and the light-receiving layer in the first direction. When an arsenic composition of the gallium arsenide antimonide layer is y and a ratio of the number of gallium arsenide monolayers to the sum of the number of gallium arsenide monolayers and the number of indium arsenide monolayers in the stack is r,
0.95<y+r<1.05
In this case, the lattice distortion of the gallium arsenide antimonide layer can be reduced.
(3)上記(1)又は(2)において、j、mおよびnのそれぞれが6以下であってもよい。 (3) In (1) or (2) above, j, m, and n may each be 6 or less.
(4)上記(1)から(3)のいずれか1つにおいて、kが1以上であってもよい。 (4) In any one of (1) to (3) above, k may be 1 or greater.
(5)上記(1)から(4)のいずれか1つにおいて、kが13以下であってもよい。 (5) In any one of (1) to (4) above, k may be 13 or less.
(6)上記(1)から(5)のいずれか1つにおいて、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成が0.3から0.7であってもよい。 (6) In any one of (1) to (5) above, the arsenic composition of the gallium arsenide antimony layer may be 0.3 to 0.7.
(7)上記(1)から(6)のいずれか1つにおいて、前記ガリウムヒ素アンチモン層が、p個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含んでもよく、pが10から26の整数であってもよい。 (7) In any one of (1) to (6) above, the gallium arsenide antimony layer may include p gallium arsenide antimony monolayers, where p may be an integer from 10 to 26.
(8)上記(1)から(7)のいずれか1つにおいて、前記第1ガリウムヒ素層、前記第2ガリウムヒ素層および前記第3ガリウムヒ素層のそれぞれの厚さが0.2から1.5nmであってもよい。 (8) In any one of (1) to (7) above, the first gallium arsenide layer, the second gallium arsenide layer, and the third gallium arsenide layer may each have a thickness of 0.2 to 1.5 nm.
(9)上記(1)から(8)のいずれか1つにおいて、前記第1インジウムヒ素層および前記第2インジウムヒ素層のそれぞれの厚さが0.2から1.6nmであってもよい。 (9) In any one of (1) to (8) above, the first indium arsenide layer and the second indium arsenide layer may each have a thickness of 0.2 to 1.6 nm.
(10)上記(1)から(9)のいずれか1つにおいて、前記ガリウムヒ素アンチモン層の厚さが2.5から6.3nmであってもよい。 (10) In any one of (1) to (9) above, the thickness of the gallium arsenide antimony layer may be 2.5 to 6.3 nm.
[本開示の実施形態の詳細]
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一または同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図1は、一実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す断面図である。図1に示される半導体受光素子10は、第1導電型の第1III-V族半導体層12と、第2導電型の第2III-V族半導体層14と、受光層16とを備える。第1導電型は例えばn型である。第2導電型は第1導電型と反対である。第2導電型は例えばp型である。受光層16はノンドープである。半導体受光素子10は、例えばフォトダイオードである。受光層16は、第1方向D1において、第1III-V族半導体層12と第2III-V族半導体層14との間に設けられる。第1方向D1は、受光層16の厚さ方向である。第1方向D1は、第1III-V族半導体層12から第2III-V族半導体層14に向かう方向であってもよい。第1方向D1は、結晶成長方向であってもよい。あるいは、第1方向D1は、第2III-V族半導体層14から第1III-V族半導体層12に向かう方向であってもよい。第1方向D1は、結晶成長方向と反対の方向であってもよい。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor light-receiving element according to one embodiment. The semiconductor light-receiving element 10 illustrated in FIG. 1 includes a first III-V semiconductor layer 12 of a first conductivity type, a second III-V semiconductor layer 14 of a second conductivity type, and a light-receiving layer 16. The first conductivity type is, for example, n-type. The second conductivity type is opposite to the first conductivity type. The second conductivity type is, for example, p-type. The light-receiving layer 16 is undoped. The semiconductor light-receiving element 10 is, for example, a photodiode. The light-receiving layer 16 is disposed between the first III-V semiconductor layer 12 and the second III-V semiconductor layer 14 in a first direction D1. The first direction D1 is the thickness direction of the light-receiving layer 16. The first direction D1 may be a direction from the first III-V semiconductor layer 12 toward the second III-V semiconductor layer 14. The first direction D1 may be a crystal growth direction. Alternatively, the first direction D1 may be a direction from the second III-V semiconductor layer 14 toward the first III-V semiconductor layer 12. The first direction D1 may be a direction opposite to the crystal growth direction.
第1III-V族半導体層12はインジウムリン(InP)層であってもよい。第1III-V族半導体層12におけるドーパント濃度は1×1023から1×1024m-3であってもよい。第1III-V族半導体層12の厚さは0.1から1μmであってもよい。n型ドーパントの例は、シリコン(Si)、テルル(Te)および錫(Sn)を含む。 The first III-V semiconductor layer 12 may be an indium phosphide (InP) layer. The dopant concentration in the first III-V semiconductor layer 12 may be 1×10 23 to 1×10 24 m −3 . The thickness of the first III-V semiconductor layer 12 may be 0.1 to 1 μm. Examples of n-type dopants include silicon (Si), tellurium (Te), and tin (Sn).
第2III-V族半導体層14はInP層であってもよい。第2III-V族半導体層14におけるドーパント濃度は1×1023から1×1024m-3であってもよい。第2III-V族半導体層14の厚さは0.1から1μmであってもよい。p型ドーパントの例は、亜鉛(Zn)およびベリリウム(Be)を含む。 The second III-V semiconductor layer 14 may be an InP layer. The dopant concentration in the second III-V semiconductor layer 14 may be 1×10 23 to 1×10 24 m −3 . The thickness of the second III-V semiconductor layer 14 may be 0.1 to 1 μm. Examples of p-type dopants include zinc (Zn) and beryllium (Be).
半導体受光素子10は、基板18をさらに備えてもよい。基板18は、InP基板といったIII-V族半導体基板であってもよい。基板18は、半絶縁性基板であってもよい。第1方向D1において、第1III-V族半導体層12は、基板18と受光層16との間に設けられてもよい。第1III-V族半導体層12は、基板18の主面上に設けられてもよい。基板18の主面は{100}面であってもよい。{100}面は、(100)面、(010)面、(001)面、(-100)面、(0-10)面および(00-1)面を含む。(100)面、(010)面、(001)面、(-100)面、(0-10)面および(00-1)面は互いに等価である。基板18の主面は第1方向D1に直交してもよい。 The semiconductor light-receiving element 10 may further include a substrate 18. The substrate 18 may be a III-V semiconductor substrate such as an InP substrate. The substrate 18 may be a semi-insulating substrate. In the first direction D1, the first III-V semiconductor layer 12 may be provided between the substrate 18 and the light-receiving layer 16. The first III-V semiconductor layer 12 may be provided on the primary surface of the substrate 18. The primary surface of the substrate 18 may be a {100} plane. The {100} plane includes the (100) plane, (010) plane, (001) plane, (-100) plane, (0-10) plane, and (00-1) plane. The (100) plane, (010) plane, (001) plane, (-100) plane, (0-10) plane, and (00-1) plane are equivalent to one another. The primary surface of the substrate 18 may be perpendicular to the first direction D1.
半導体受光素子10は、第1導電型のIII-V族半導体層20をさらに備えてもよい。III-V族半導体層20は、第1方向D1において、第1III-V族半導体層12と基板18との間に設けられる。III-V族半導体層20は、コンタクト層であってもよい。III-V族半導体層20はInP層であってもよい。III-V族半導体層20には、電極30が接続されてもよい。 The semiconductor light receiving element 10 may further include a first conductivity type III-V semiconductor layer 20. The III-V semiconductor layer 20 is provided between the first III-V semiconductor layer 12 and the substrate 18 in the first direction D1. The III-V semiconductor layer 20 may be a contact layer. The III-V semiconductor layer 20 may be an InP layer. An electrode 30 may be connected to the III-V semiconductor layer 20.
半導体受光素子10は、第2導電型のIII-V族半導体層22をさらに備えてもよい。第1方向D1において、第2III-V族半導体層14はIII-V族半導体層22と受光層16との間に設けられる。III-V族半導体層22は、コンタクト層であってもよい。III-V族半導体層22はGazIn1-zAs層(GaInAs層ともいう)であってもよい。zはガリウム(Ga)組成である。zは0より大きく1より小さい。III-V族半導体層22には、電極40が接続されてもよい。 The semiconductor light receiving element 10 may further include a second conductivity type III-V semiconductor layer 22. In the first direction D1, the second III-V semiconductor layer 14 is provided between the III-V semiconductor layer 22 and the light receiving layer 16. The III-V semiconductor layer 22 may be a contact layer. The III-V semiconductor layer 22 may be a Ga z In 1-z As layer (also referred to as a GaInAs layer). z is the gallium (Ga) composition. z is greater than 0 and less than 1. An electrode 40 may be connected to the III-V semiconductor layer 22.
半導体受光素子10は、入射光Lを検出できる。入射光Lは、0.4から3μmの波長を有する可視光または赤外光であってもよい。入射光Lは、第1方向D1に進んでもよい。入射光Lは、基板18を通って受光層16に入射してもよい。半導体受光素子10は、ガス分析装置の分光システム、イメージングシステムまたは光通信システムにおいて使用され得る。 The semiconductor light receiving element 10 can detect incident light L. The incident light L may be visible light or infrared light having a wavelength of 0.4 to 3 μm. The incident light L may travel in a first direction D1. The incident light L may pass through the substrate 18 and enter the light receiving layer 16. The semiconductor light receiving element 10 may be used in a spectroscopic system, imaging system, or optical communication system of a gas analyzer.
図2は、図1の半導体受光素子に含まれる受光層を模式的に示す断面図である。図2に示されるように、受光層16は、第1方向D1に積層された複数の単位構造U1を備える。隣り合う単位構造U1は、互いに接触してもよい。単位構造U1の数は100から500であってもよい。複数の単位構造U1は超格子を構成する。 Figure 2 is a cross-sectional view schematically illustrating the light-receiving layer included in the semiconductor light-receiving element of Figure 1. As shown in Figure 2, the light-receiving layer 16 includes a plurality of unit structures U1 stacked in a first direction D1. Adjacent unit structures U1 may be in contact with each other. The number of unit structures U1 may be 100 to 500. The plurality of unit structures U1 form a superlattice.
図3は、図2の受光層に含まれる単位構造を模式的に示す断面図である。図3に示されるように、各単位構造U1は、積層体LMとガリウムヒ素アンチモン(GaAsySb1-y)層L1とを含む。GaAsySb1-y層L1および積層体LMは、第1方向D1にこの順に積層されてもよい。あるいは、積層体LMおよびGaAsySb1-y層L1が、第1方向D1にこの順に積層されてもよい。yはヒ素(As)組成である。yは0より大きく1より小さい。yは0.3から0.7であってもよい。この場合、GaAsySb1-y層L1をInP層に対して格子整合させることができる。GaAsySb1-y層L1は、p個のGaAsySb1-y単分子層を含んでもよい。pは10から26の整数であってもよい。単分子層とは、厚さ方向において単一の分子(III-V族化合物半導体分子)を含む層を意味する。閃亜鉛鉱型構造を有するIII-V族化合物半導体の場合、単分子層の厚さは、厚さ方向の格子定数の半分の長さである。単分子層の厚さは、例えば0.28から0.32nmである。単分子層の厚さは、材料の種類、温度または格子歪みの量により変化し得る。 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a unit structure included in the absorption layer of FIG. 2. As shown in FIG. 3, each unit structure U1 includes a laminate LM and a gallium arsenide antimonide (GaAs y Sb 1-y ) layer L1. The GaAs y Sb 1-y layer L1 and the laminate LM may be laminated in this order in the first direction D1. Alternatively, the laminate LM and the GaAs y Sb 1-y layer L1 may be laminated in this order in the first direction D1. y represents the arsenic (As) composition. y is greater than 0 and less than 1. y may be 0.3 to 0.7. In this case, the GaAs y Sb 1-y layer L1 can be lattice-matched to the InP layer. The GaAs y Sb 1-y layer L1 may include p GaAs y Sb 1-y monolayers. p may be an integer from 10 to 26. A monolayer refers to a layer containing a single molecule (III-V compound semiconductor molecule) in the thickness direction. In the case of a III-V compound semiconductor having a zinc blende structure, the thickness of the monolayer is half the length of the lattice constant in the thickness direction. The thickness of the monolayer is, for example, 0.28 to 0.32 nm. The thickness of the monolayer can vary depending on the type of material, temperature, or amount of lattice distortion.
積層体LMは、ガリウムヒ素(GaAs)層L3(第1ガリウムヒ素層)と、インジウムヒ素(InAs)層L2(第1インジウムヒ素層)と、k個の積層構造LSと、GaAs層L4(第2ガリウムヒ素層)とを含む。GaAs層L3は、j個のGaAs単分子層を含む。InAs層L2は、m個のInAs単分子層を含む。GaAs層L4は、j-1個のGaAs単分子層を含む。各積層構造LSは、GaAs層L5(第3ガリウムヒ素層)とInAs層L6(第2インジウムヒ素層)とを含む。各積層構造LSは、単一のGaAs層L5と単一のInAs層L6とを含むペアであってもよい。GaAs層L5は、n個のGaAs単分子層を含む。InAs層L6は、m個のInAs単分子層を含む。GaAs層L4、k個の積層構造LS、InAs層L2およびGaAs層L3は、第1方向D1にこの順に積層される。各積層構造LSにおいて、InAs層L6およびGaAs層L5は、第1方向D1にこの順に積層される。積層体LMにおいて、GaAs層およびInAs層は、第1方向D1において交互に積層され得る。 The stack LM includes a gallium arsenide (GaAs) layer L3 (first gallium arsenide layer), an indium arsenide (InAs) layer L2 (first indium arsenide layer), k stack structures LS, and a GaAs layer L4 (second gallium arsenide layer). The GaAs layer L3 includes j GaAs monolayers. The InAs layer L2 includes m InAs monolayers. The GaAs layer L4 includes j-1 GaAs monolayers. Each stack structure LS includes a GaAs layer L5 (third gallium arsenide layer) and an InAs layer L6 (second indium arsenide layer). Each stack structure LS may be a pair including a single GaAs layer L5 and a single InAs layer L6. The GaAs layer L5 includes n GaAs monolayers. The InAs layer L6 includes m InAs monolayers. The GaAs layer L4, k stacked structures LS, InAs layer L2, and GaAs layer L3 are stacked in this order in the first direction D1. In each stacked structure LS, the InAs layer L6 and GaAs layer L5 are stacked in this order in the first direction D1. In the stacked body LM, the GaAs layers and InAs layers can be stacked alternately in the first direction D1.
j、mおよびnのそれぞれは1以上の整数である。j、mおよびnのそれぞれは6以下であってもよい。jおよびmは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。mおよびnは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。nおよびjは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。jが1の場合、積層体LMはGaAs層L4を含まない。kは0以上の整数である。kは1以上であってもよい。kは13以下であってもよい。kが0の場合、積層体LMは、積層構造LSを含まない。 Each of j, m, and n is an integer greater than or equal to 1. Each of j, m, and n may be 6 or less. j and m may be the same integer or different integers. m and n may be the same integer or different integers. n and j may be the same integer or different integers. When j is 1, the laminate LM does not include the GaAs layer L4. k is an integer greater than or equal to 0. k may be greater than or equal to 1. k may be 13 or less. When k is 0, the laminate LM does not include the stack structure LS.
単位構造U1において、GaAs単分子層、InAs単分子層およびGaAsySb1-y単分子層の配列は以下のように表され得る。
(GaAs)j(InAs)m([GaAs]n[InAs]m)k(GaAs)j-1(GaAsySb1-y)p
In the unit structure U1, the arrangement of the GaAs monolayer, the InAs monolayer, and the GaAs y Sb 1-y monolayer can be expressed as follows:
(GaAs) j (InAs) m ([GaAs] n [InAs] m ) k (GaAs) j-1 (GaAs y Sb 1-y ) p
単分子層の配列順序は、第1方向D1とは反対の方向における順序である。各単分子の右下にあるj、m、n、(j-1)およびpのそれぞれは、上述のように単分子層の数を表す。kは([GaAs]n[InAs]m)で表されるペアの数を表す。 The arrangement order of the monolayers is the order in the direction opposite to the first direction D1. As described above, j, m, n, (j-1), and p at the bottom right of each monolayer represent the number of monolayers. k represents the number of pairs represented by ([GaAs] n [InAs] m ).
InAs層L2は、GaAs層L3およびGaAs層L5に接触してもよい。InAs層L6は、GaAs層L5に接触してもよい。GaAs層L4は、InAs層L6およびGaAsySb1-y層L1に接触してもよい。1つの単位構造U1におけるGaAs層L3は、隣の単位構造U1におけるGaAsySb1-y層L1に接触してもよい。GaAsySb1-y層L1は、電子バリア層または正孔井戸層として機能し得る。積層体LMは、電子井戸層または正孔バリア層として機能し得る。 The InAs layer L2 may be in contact with the GaAs layer L3 and the GaAs layer L5. The InAs layer L6 may be in contact with the GaAs layer L5. The GaAs layer L4 may be in contact with the InAs layer L6 and the GaAs y Sb 1-y layer L1. The GaAs layer L3 in one unit structure U1 may be in contact with the GaAs y Sb 1-y layer L1 in the adjacent unit structure U1. The GaAs y Sb 1-y layer L1 may function as an electron barrier layer or a hole well layer. The stacked body LM may function as an electron well layer or a hole barrier layer.
InAs層L2,L6およびGaAs層L3,L4,L5のそれぞれは、GaAsySb1-y層L1よりも小さい厚さを有する。GaAsySb1-y層L1の厚さは2.5から6.3nmであってもよい。InAs層L2,L6のそれぞれの厚さは0.2から1.6nmであってもよい。GaAs層L3,L4,L5のそれぞれの厚さは0.2から1.5nmであってもよい。 Each of the InAs layers L2 and L6 and the GaAs layers L3, L4, and L5 has a thickness smaller than that of the GaAs y Sb 1-y layer L1. The thickness of the GaAs y Sb 1-y layer L1 may be 2.5 to 6.3 nm. The thickness of each of the InAs layers L2 and L6 may be 0.2 to 1.6 nm. The thickness of each of the GaAs layers L3, L4, and L5 may be 0.2 to 1.5 nm.
GaAsySb1-y層L1のAs組成をy、積層体LMにおけるGaAs単分子層の数とInAs単分子層の数との和に対するGaAs単分子層の数の割合をrとすると、以下の式(1)が満たされてもよい。 When the As composition of the GaAs y Sb 1-y layer L1 is y and the ratio of the number of GaAs monolayers to the sum of the number of GaAs monolayers and the number of InAs monolayers in the laminate LM is r, the following formula (1) may be satisfied:
0.95<y+r<1.05 …(1) 0.95<y+r<1.05...(1)
積層体LMにおけるGaAs単分子層の数をN1、積層体LMにおけるInAs単分子層の数をN2とすると、rは以下の式(2)で表される。
r=N1/(N1+N2) …(2)
When the number of GaAs monolayers in the laminate LM is N1 and the number of InAs monolayers in the laminate LM is N2, r is expressed by the following formula (2).
r=N1/(N1+N2)...(2)
N1は以下の式(3)で表される。
N1=n×k+2j-1 …(3)
N1 is expressed by the following equation (3).
N1=n×k+2j-1…(3)
N2は以下の式(4)で表される。
N2=m×(k+1) …(4)
N2 is expressed by the following equation (4).
N2=m×(k+1)…(4)
rは、0.4より大きく0.6より小さくてもよい。この場合、yは0.35より大きく0.65より小さくなる。これにより、積層面内におけるGaAsySb1-y層L1の格子歪みεを-1.2%より大きく1.1%より小さくできる。その結果、GaAsySb1-y層L1の厚さが約10nm以下の場合、良好な結晶性が得られる。 r may be greater than 0.4 and less than 0.6. In this case, y is greater than 0.35 and less than 0.65. This allows the lattice strain ε of the GaAs y Sb 1-y layer L1 in the stacking plane to be greater than −1.2% and smaller than 1.1%. As a result, when the thickness of the GaAs y Sb 1-y layer L1 is approximately 10 nm or less, good crystallinity is obtained.
半導体受光素子10によれば、各単位構造U1中の積層体LMが電子井戸層として機能する。半導体受光素子10では、各単位構造中の電子井戸層がGaInAs層のみからなる場合に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光Lの偏光方向に対して低い依存性を有する。これは、第1方向D1において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有するからと考えられる。半導体受光素子10によれば、入射光Lの偏光方向が変化しても信号強度の変化を抑制できる。 In the semiconductor light-receiving element 10, the stack LM in each unit structure U1 functions as an electron well layer. In the semiconductor light-receiving element 10, the spectrum of the optical absorption coefficient has low dependence on the polarization direction of the incident light L compared to when the electron well layer in each unit structure consists only of a GaInAs layer. This is thought to be because the atomic arrangement is symmetrical with respect to the center position of the electron well layer in the first direction D1. With the semiconductor light-receiving element 10, changes in signal intensity can be suppressed even when the polarization direction of the incident light L changes.
以下、図3の単位構造U1の評価のために行った種々の実験について説明する。以下に説明する実験は、本開示を限定するものではない。 The following describes various experiments conducted to evaluate the unit structure U1 in Figure 3. The experiments described below do not limit the scope of this disclosure.
(第1実験)
第1実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、GaAs層L3と、InAs層L2と、GaAs層L5と、InAs層L6と、GaAs層L4と、GaAsySb1-y層L1とを含む(図3参照)。受光層は、InP基板の{100}面上に積層される。
(First Experiment)
The absorption layer of the semiconductor light-receiving element in the first experiment had the following configuration. Each unit structure in the absorption layer included a GaAs layer L3, an InAs layer L2, a GaAs layer L5, an InAs layer L6, a GaAs layer L4, and a GaAs y Sb 1-y layer L1 (see FIG. 3). The absorption layer was stacked on the {100} plane of an InP substrate.
GaAs層L3中のGaAs単分子層の数jは2である。InAs層L2中のInAs単分子層の数mは2である。GaAs層L5中のGaAs単分子層の数nは2である。InAs層L6中のInAs単分子層の数mは2である。積層構造LSの数kは3である。GaAs層L4中のGaAs単分子層の数j-1は1である。GaAsySb1-y層L1のAs組成yは0.49である。GaAsySb1-y層L1中のGaAsySb1-y単分子層の数pは17である。 The number j of GaAs monolayers in the GaAs layer L3 is 2. The number m of InAs monolayers in the InAs layer L2 is 2. The number n of GaAs monolayers in the GaAs layer L5 is 2. The number m of InAs monolayers in the InAs layer L6 is 2. The number k of stacked structures LS is 3. The number j-1 of GaAs monolayers in the GaAs layer L4 is 1. The As composition y of the GaAs y Sb 1-y layer L1 is 0.49. The number p of GaAs y Sb 1-y monolayers in the GaAs y Sb 1-y layer L1 is 17.
受光層中の各単位構造において、GaAs単分子層、InAs単分子層およびGaAsySb1-y単分子層の配列は以下のようにも表される。
([GaAs]2[InAs]2)4(GaAs)(GaAs0.49Sb0.51)17
In each unit structure in the absorption layer, the arrangement of the GaAs monolayer, the InAs monolayer, and the GaAs y Sb 1-y monolayer can also be expressed as follows:
([GaAs] 2 [InAs] 2 ) 4 (GaAs) (GaAs 0.49 Sb 0.51 ) 17
(第2実験)
第2実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、GaAsySb1-y層とガリウムインジウムヒ素(GaxIn1-xAs)層とを含む。受光層は、InP基板の{100}面上に積層される。yは0.51である。xは0.47である。GaxIn1-xAs層中のGaxIn1-xAs単分子層の数は17である。GaAsySb1-y層中のGaAsySb1-y単分子層の数は17である。
(Second Experiment)
The absorption layer of the semiconductor light-receiving element in the second experiment has the following configuration. Each unit structure in the absorption layer includes a GaAs y Sb 1-y layer and a gallium indium arsenide ( GaxIn 1-x As) layer. The absorption layer is stacked on the {100} plane of an InP substrate. y is 0.51. x is 0.47. The number of GaxIn 1-x As monolayers in the GaxIn 1-x As layer is 17. The number of GaAs y Sb 1-y monolayers in the GaAs y Sb 1-y layer is 17.
(第1実験結果)
第1実験および第2実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、バンドオフセットエネルギーおよび波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を算出した。結果を図4および図5に示す。
(First Experimental Results)
For the absorption layers of the semiconductor light-receiving elements according to Experiments 1 and 2, the band offset energy and the square of the absolute value of the magnitude of the wave function were calculated by simulation. The results are shown in FIGS. 4 and 5.
図4および図5は、それぞれ第1実験および第2実験に係る半導体受光素子の受光層におけるエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。図4および図5のグラフにおいて、横軸は、第1方向D1における各原子の位置を示す。グラフの左側縦軸は、バンドオフセットエネルギー(eV)を示す。ECBOは、波数が0であるΓ点における伝導帯(伝導帯端ともいう)のバンドオフセットエネルギーを示す。EVBOは、波数が0であるΓ点における価電子帯(価電子帯端ともいう)のバンドオフセットエネルギーを示す。グラフの右側縦軸は、波動関数の大きさの絶対値の二乗の値(任意単位)を示す。|ψCBM|2は、伝導帯端における波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を示す。|ψCBM|2は、右側縦軸の値が0より上側に位置する。|ψVBM|2は、価電子帯端における波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を示す。|ψVBM|2は、右側縦軸の値が0より下側に位置する。 4 and 5 are graphs showing examples of energy band diagrams in the absorption layer of the semiconductor light-receiving element according to the first and second experiments, respectively. In the graphs of FIGS. 4 and 5, the horizontal axis indicates the position of each atom in the first direction D1. The vertical axis on the left side of the graph indicates the band offset energy (eV). ECBO indicates the band offset energy of the conduction band (also called the conduction band edge) at the Γ point where the wave number is 0. EVBO indicates the band offset energy of the valence band (also called the valence band edge) at the Γ point where the wave number is 0. The vertical axis on the right side of the graph indicates the square of the absolute value of the magnitude of the wave function (arbitrary units). |ψCBM| 2 indicates the square of the absolute value of the magnitude of the wave function at the conduction band edge. |ψCBM| 2 is located above 0 on the right vertical axis. |ψVBM| 2 indicates the square of the absolute value of the magnitude of the wave function at the valence band edge. |ψVBM| 2 is located below the value 0 on the right vertical axis.
図4および図5に示されるように、第1実験と第2実験との間において、電子井戸層におけるエネルギーバンドおよび波動関数が異なっている。 As shown in Figures 4 and 5, the energy bands and wave functions in the electron well layer are different between the first and second experiments.
(第2実験結果)
第1実験および第2実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、200Kの動作温度における光吸収係数のスペクトルを算出した。入射光Lは、(001)面に対して直交する第1方向D1に進む(図1参照)。結果を図6および図7に示す。
(Second Experimental Results)
For the absorption layers of the semiconductor light receiving elements in the first and second experiments, the spectra of the optical absorption coefficients at an operating temperature of 200 K were calculated by simulation. Incident light L travels in a first direction D1 perpendicular to the (001) plane (see FIG. 1). The results are shown in FIGS. 6 and 7.
図6および図7は、第1実験および第2実験においてそれぞれ得られる光吸収係数のスペクトルの例を示すグラフである。図6および図7のグラフにおいて、縦軸は光吸収係数(cm-1)を表す。横軸は波長(μm)を示す。実線は、入射光Lの偏光方向が[100]方向である場合のスペクトルを示す。破線は、入射光Lの偏光方向が[110]方向である場合のスペクトルを示す。一点鎖線は、入射光Lの偏光方向が[1-10]方向である場合のスペクトルを示す。 6 and 7 are graphs showing example spectra of the optical absorption coefficient obtained in the first and second experiments, respectively. In the graphs of FIGS. 6 and 7, the vertical axis represents the optical absorption coefficient (cm −1 ). The horizontal axis represents the wavelength (μm). The solid line represents the spectrum when the polarization direction of the incident light L is the [100] direction. The dashed line represents the spectrum when the polarization direction of the incident light L is the [110] direction. The dash-dotted line represents the spectrum when the polarization direction of the incident light L is the [1-10] direction.
図6に示されるように、第1実験では、入射光Lの偏光方向が変化しても、光吸収係数のスペクトルは殆ど変化しなかった。一方、図7に示されるように、第2実験では、入射光Lの偏光方向が変化すると、光吸収係数のスペクトルも大きく変化した。よって、第1実験では、第2実験に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有することが分かる。以下、偏光方向に対する依存性が低下するメカニズムについて説明する。 As shown in Figure 6, in the first experiment, the spectrum of the optical absorption coefficient hardly changed even when the polarization direction of the incident light L was changed. On the other hand, as shown in Figure 7, in the second experiment, the spectrum of the optical absorption coefficient changed significantly when the polarization direction of the incident light L was changed. Therefore, it can be seen that in the first experiment, the spectrum of the optical absorption coefficient has a lower dependency on the polarization direction of the incident light than in the second experiment. The mechanism by which the dependency on the polarization direction is reduced is explained below.
図8および図9は、第1実験の単位構造における原子配列の例を示す斜視図である。図8および図9において、[001]方向が結晶成長方向すなわち図3の第1方向D1である。図8では、上方向が[110]方向である。一方、図9では、上方向が[1-10]方向である。図8および図9において、MLは単分子層を示す。原子サイトAsySb1-yには、実際にはヒ素(As)原子およびアンチモン(Sb)原子のいずれか一方が配置される。結晶成長方向に直交する平面において、As原子およびSb原子は、原子数でy:(1-y)の割合で配置される。よって、当該割合の性質を有する仮想的なカチオン原子(AsySb1-y)が原子サイトAsySb1-yに配置されると考えることができる。 8 and 9 are perspective views showing examples of atomic arrangements in the unit structure of the first experiment. In FIGS. 8 and 9, the [001] direction is the crystal growth direction, i.e., the first direction D1 in FIG. 3. In FIG. 8, the upward direction is the [110] direction. On the other hand, in FIG. 9, the upward direction is the [1-10] direction. In FIGS. 8 and 9, ML indicates a monolayer. In actuality, either an arsenic (As) atom or an antimony (Sb) atom is arranged at the atomic site As y Sb 1-y . In a plane perpendicular to the crystal growth direction, the As atoms and the Sb atoms are arranged at a ratio of y:(1-y) in terms of the number of atoms. Therefore, it can be considered that a virtual cation atom (As y Sb 1-y ) having the properties of this ratio is arranged at the atomic site As y Sb 1-y .
図8において、[110]方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。Ga-As結合、In-As結合およびGa-(AsySb1-y)結合の数は以下の通りである。
Ga-As結合:6個(4×1/2+2+4×1/2)
In-As結合:4個(4×1/2+2)
Ga-(AsySb1-y)結合:6個(2+4×1/2+2)
8, the number of interatomic bonds having a component in the [110] direction was calculated. The numbers of Ga—As bonds, In—As bonds, and Ga—(As y Sb 1-y ) bonds are as follows:
Ga-As bonds: 6 pieces (4×1/2+2+4×1/2)
In-As bonds: 4 (4×1/2+2)
Ga-(As y Sb 1-y ) bonds: 6 (2+4×1/2+2)
直方体で示されるセルの表面に位置する原子間結合は、隣のセルと共有されるので、原子間結合の数は半分にされる。 Atomic bonds located on the surface of a rectangular cell are shared with adjacent cells, halving the number of atomic bonds.
図9において、[1-10]方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。Ga-As結合、In-As結合およびGa-(AsySb1-y)結合の数は以下の通りである。
Ga-As結合:6個(2+4×1/2+2)
In-As結合:4個(4×1/2+2)
Ga-(AsySb1-y)結合:6個(4×1/2+2+4×1/2)
9, the number of interatomic bonds having a component in the [1-10] direction was calculated. The numbers of Ga—As bonds, In—As bonds, and Ga—(As y Sb 1-y ) bonds are as follows:
Ga-As bonds: 6 (2+4×1/2+2)
In-As bonds: 4 (4×1/2+2)
Ga-(As y Sb 1-y ) bonds: 6 (4×1/2+2+4×1/2)
よって、第1実験では、[110]方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数が、[1-10]方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数と同じである。さらに、図4に示されるように、電子井戸層は第1電子バリア層と第2電子バリア層との間に配置される。第1電子バリア層と電子井戸層との界面におけるエネルギーは、第2電子バリア層と電子井戸層との界面におけるエネルギーと同じである。これは、第1方向D1において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有することに起因する。よって、図8に表示されたGa-As結合B1は図9に表示されたGa-As結合B2と等価である。同じように、図8に表示されたGa-(AsySb1-y)結合B3は図9に表示されたGa-(AsySb1-y)結合B4と等価である。したがって、偏光方向が[110]方向である場合の光吸収係数は、偏光方向が[1-10]方向である場合の光吸収係数と殆ど同じである。第1実験では、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。 Therefore, in the first experiment, the number of interatomic bonds having components in the same direction with respect to an electric field polarized in the [110] direction is the same as the number of interatomic bonds having components in the same direction with respect to an electric field polarized in the [1-10] direction. Furthermore, as shown in FIG. 4, the electron well layer is disposed between the first electron barrier layer and the second electron barrier layer. The energy at the interface between the first electron barrier layer and the electron well layer is the same as the energy at the interface between the second electron barrier layer and the electron well layer. This is due to the symmetry of the atomic arrangement with respect to the center position of the electron well layer in the first direction D1. Therefore, the Ga-As bond B1 shown in FIG. 8 is equivalent to the Ga-As bond B2 shown in FIG. 9. Similarly, the Ga-(As y Sb 1-y ) bond B3 shown in FIG. 8 is equivalent to the Ga-(As y Sb 1-y ) bond B4 shown in FIG. 9. Therefore, the optical absorption coefficient when the polarization direction is the [110] direction is almost the same as the optical absorption coefficient when the polarization direction is the [1-10] direction. In the first experiment, the spectrum of the optical absorption coefficient has low dependence on the polarization direction of the incident light.
図10および図11は、第2実験の単位構造における原子配列の例を示す斜視図である。原子サイトGaxIn1-xには、実際にはガリウム(Ga)原子またはインジウム(In)原子が配置される。結晶成長方向に直交する平面において、Ga原子およびIn原子は、原子数でx:(1-x)の割合で配置される。よって、当該割合の性質を有する仮想的なカチオン原子(GaxIn1-x)が原子サイトGaxIn1-xに配置されると考えることができる。 10 and 11 are perspective views showing examples of atomic arrangements in the unit structure of the second experiment. Gallium (Ga) atoms or indium (In) atoms are actually arranged at the atomic sites Ga x In 1-x . In a plane perpendicular to the crystal growth direction, the Ga atoms and In atoms are arranged at a ratio of x:(1-x) in terms of the number of atoms. Therefore, it can be considered that virtual cation atoms ( GaxIn 1-x ) having the properties of this ratio are arranged at the atomic sites Ga x In 1-x .
図10において、[110]方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。(GaxIn1-x)-As結合、Ga-(AsySb1-y)結合、Ga-As結合および(GaxIn1-x)-(AsySb1-y)結合の数は以下の通りである。
(GaxIn1-x)-As結合:6個(4×1/2+2+4×1/2)
Ga-(AsySb1-y)結合:6個(2+4×1/2+2)
Ga-As結合:0個
(GaxIn1-x)-(AsySb1-y)結合:0個
10, the number of interatomic bonds having a component in the [110] direction was calculated. The numbers of (Ga x In 1-x )-As bonds, Ga-(As y Sb 1-y ) bonds, Ga-As bonds, and (Ga x In 1-x )-(As y Sb 1-y ) bonds are as follows:
(Ga x In 1-x ) - As bonds: 6 (4 x 1/2 + 2 + 4 x 1/2)
Ga-(As y Sb 1-y ) bonds: 6 (2+4×1/2+2)
Ga-As bond: 0 (Ga x In 1-x )-(A y Sb 1-y ) bond: 0
図11において、[1-10]方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。(GaxIn1-x)-As結合、Ga-(AsySb1-y)結合、Ga-As結合および(GaxIn1-x)-(AsySb1-y)結合の数は以下の通りである。
(GaxIn1-x)-As結合:4個(2+4×1/2)
Ga-(AsySb1-y)結合:4個(4×1/2+2)
Ga-As結合:2個
(GaxIn1-x)-(AsySb1-y)結合:2個(4×1/2)
11, the number of interatomic bonds having components in the [1-10] direction was calculated. The numbers of (Ga x In 1-x )-As bonds, Ga-(As y Sb 1-y ) bonds, Ga-As bonds, and (Ga x In 1-x )-(As y Sb 1-y ) bonds are as follows:
(Ga x In 1-x )-As bonds: 4 (2+4×1/2)
Ga-(As y Sb 1-y ) bonds: 4 (4×1/2+2)
Ga-As bonds: 2 (Ga x In 1-x )-(A y Sb 1-y ) bonds: 2 (4×1/2)
よって、第2実験では、[110]方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数が、[1-10]方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数と異なる。したがって、偏光方向が[110]方向である場合の光吸収係数は、偏光方向が[1-10]方向である場合の光吸収係数と異なる。第2実験では、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して高い依存性を有する。 Therefore, in the second experiment, the number of interatomic bonds with a component in the same direction as an electric field polarized in the [110] direction differs from the number of interatomic bonds with a component in the same direction as an electric field polarized in the [1-10] direction. Therefore, the optical absorption coefficient when the polarization direction is the [110] direction differs from the optical absorption coefficient when the polarization direction is the [1-10] direction. In the second experiment, the spectrum of the optical absorption coefficient is highly dependent on the polarization direction of the incident light.
(第3実験から第25実験)
第3実験から第25実験に係る半導体受光素子の受光層に含まれる単位構造は、図12に示される。
(Experiments 3 to 25)
The unit structures included in the light-receiving layers of the semiconductor light-receiving elements according to the third to twenty-fifth experiments are shown in FIG.
(第3実験結果)
第1実験、第3実験から第25実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、200Kの動作温度における吸収端波長λ(μm)を算出した。ここでは、吸収端波長(カットオフ波長)は、光吸収係数が1×102cm-1以上となる波長の最大値としている。結果を図12に示す。
(Third Experimental Results)
For the absorption layers of the semiconductor light receiving elements according to Experiments 1 and 3 to 25, the absorption edge wavelength λ (μm) at an operating temperature of 200 K was calculated by simulation. Here, the absorption edge wavelength (cutoff wavelength) was defined as the maximum wavelength at which the optical absorption coefficient was 1×10 2 cm −1 or greater. The results are shown in FIG. 12.
図12は、第1実験、第3実験から第25実験の単位構造における吸収端波長の例を示す図である。図12に示されるように、第1実験、第3実験から第25実験において、吸収端波長は2.45μm以上であった。第3実験から第25実験においても、第1実験と同じように、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。 Figure 12 shows examples of absorption edge wavelengths for the unit structures of Experiments 1 and 3 to 25. As shown in Figure 12, the absorption edge wavelengths were 2.45 μm or longer in Experiments 1 and 3 to 25. In Experiments 3 to 25, as in Experiment 1, the spectrum of the optical absorption coefficient also had low dependence on the polarization direction of the incident light.
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。 The above describes in detail preferred embodiments of the present disclosure, but the present disclosure is not limited to the above embodiments.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the claims, not by the meaning described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
10…半導体受光素子
12…第1III-V族半導体層
14…第2III-V族半導体層
16…受光層
18…基板
20…III-V族半導体層
22…III-V族半導体層
30…電極
40…電極
B1…Ga-As結合
B2…Ga-As結合
B3…Ga-(AsySb1-y)結合
B4…Ga-(AsySb1-y)結合
D1…第1方向
L…入射光
L1…GaAsySb1-y層
L2…InAs層
L3…GaAs層
L4…GaAs層
L5…GaAs層
L6…InAs層
LM…積層体
LS…積層構造
U1…単位構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10...Semiconductor light receiving element 12...First III-V semiconductor layer 14...Second III-V semiconductor layer 16...Light receiving layer 18...Substrate 20...III-V semiconductor layer 22...III-V semiconductor layer 30...Electrode 40...Electrode B1...Ga-As bond B2...Ga-As bond B3...Ga-(As y Sb 1-y ) bond B4...Ga-(As y Sb 1-y ) bond D1...First direction L...Incident light L1...GaAs y Sb 1-y layer L2...InAs layer L3...GaAs layer L4...GaAs layer L5...GaAs layer L6...InAs layer LM...Laminated body LS...Laminated structure U1...Unit structure
Claims (10)
第2導電型の第2III-V族半導体層と、
第1方向において、前記第1III-V族半導体層と前記第2III-V族半導体層との間に設けられた受光層と、
を備え、
前記受光層は、前記第1方向に積層された複数の単位構造を備え、
前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、
前記積層体は、j個のガリウムヒ素単分子層を含む第1ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第1インジウムヒ素層と、k個の積層構造と、j-1個のガリウムヒ素単分子層を含む第2ガリウムヒ素層と、を含み、前記第2ガリウムヒ素層、前記k個の積層構造、前記第1インジウムヒ素層および前記第1ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、前記k個の積層構造のそれぞれは、n個のガリウムヒ素単分子層を含む第3ガリウムヒ素層と、m個のインジウムヒ素単分子層を含む第2インジウムヒ素層と、を含み、前記k個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第2インジウムヒ素層および前記第3ガリウムヒ素層は、前記第1方向にこの順に積層され、
j、mおよびnのそれぞれは1以上の整数であり、kは0以上の整数である、半導体受光素子。 a first group III-V semiconductor layer of a first conductivity type;
a second group III-V semiconductor layer of a second conductivity type;
a light-receiving layer provided between the first group III-V semiconductor layer and the second group III-V semiconductor layer in a first direction;
Equipped with
the light receiving layer includes a plurality of unit structures stacked in the first direction,
each of the plurality of unit structures includes a laminate and a gallium arsenide antimonide layer;
the stacked body includes a first gallium arsenide layer including j gallium arsenide monolayers, a first indium arsenide layer including m indium arsenide monolayers, k stacked structures, and a second gallium arsenide layer including j−1 gallium arsenide monolayers, wherein the second gallium arsenide layer, the k stacked structures, the first indium arsenide layer, and the first gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction, and each of the k stacked structures includes a third gallium arsenide layer including n gallium arsenide monolayers, and a second indium arsenide layer including m indium arsenide monolayers, and in each of the k stacked structures, the second indium arsenide layer and the third gallium arsenide layer are stacked in this order in the first direction;
A semiconductor light receiving element, wherein j, m, and n are each an integer of 1 or more, and k is an integer of 0 or more.
前記第1方向において、前記第1III-V族半導体層は、前記インジウムリン基板と前記受光層との間に設けられ、
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成をy、前記積層体におけるガリウムヒ素単分子層の数とインジウムヒ素単分子層の数との和に対するガリウムヒ素単分子層の数の割合をrとすると、
0.95<y+r<1.05
が満たされる、請求項1に記載の半導体受光素子。 Further comprising an indium phosphide substrate,
the first III-V semiconductor layer is provided between the indium phosphide substrate and the absorption layer in the first direction;
When the arsenic composition of the gallium arsenide antimonide layer is y and the ratio of the number of gallium arsenide monolayers to the sum of the number of gallium arsenide monolayers and the number of indium arsenide monolayers in the stack is r,
0.95<y+r<1.05
2. The semiconductor light-receiving element according to claim 1, wherein the following is satisfied:
pが10から26の整数である、請求項1または請求項2に記載の半導体受光素子。 the gallium arsenide antimonide layer comprises p gallium arsenide antimonide monolayers;
3. The semiconductor light-receiving element according to claim 1, wherein p is an integer of 10 to 26.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022157893A JP7729299B2 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Semiconductor photodetector |
| US18/242,662 US20240113245A1 (en) | 2022-09-30 | 2023-09-06 | Semiconductor photodetector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022157893A JP7729299B2 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Semiconductor photodetector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024051624A JP2024051624A (en) | 2024-04-11 |
| JP7729299B2 true JP7729299B2 (en) | 2025-08-26 |
Family
ID=90469952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022157893A Active JP7729299B2 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Semiconductor photodetector |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240113245A1 (en) |
| JP (1) | JP7729299B2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012002144A1 (en) | 2010-06-29 | 2012-01-05 | 住友電気工業株式会社 | Photoreceptor element and method for producing same |
| CN113972292A (en) | 2021-03-29 | 2022-01-25 | 南京大学 | InP-based base band gap adjustable structure and photoelectric conversion device |
| US20220099813A1 (en) | 2020-09-28 | 2022-03-31 | Luminar, Llc | Lidar system with low-noise avalanche photodiode |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016092037A (en) * | 2014-10-29 | 2016-05-23 | 住友電気工業株式会社 | Semiconductor laminate, light receiving element and sensor |
-
2022
- 2022-09-30 JP JP2022157893A patent/JP7729299B2/en active Active
-
2023
- 2023-09-06 US US18/242,662 patent/US20240113245A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012002144A1 (en) | 2010-06-29 | 2012-01-05 | 住友電気工業株式会社 | Photoreceptor element and method for producing same |
| US20220099813A1 (en) | 2020-09-28 | 2022-03-31 | Luminar, Llc | Lidar system with low-noise avalanche photodiode |
| CN113972292A (en) | 2021-03-29 | 2022-01-25 | 南京大学 | InP-based base band gap adjustable structure and photoelectric conversion device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2024051624A (en) | 2024-04-11 |
| US20240113245A1 (en) | 2024-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6897471B1 (en) | Strain-engineered direct-gap Ge/SnxGe1-x heterodiode and multi-quantum-well photodetectors, laser, emitters and modulators grown on SnySizGe1-y-z-buffered silicon | |
| US10181539B2 (en) | Photoelectric conversion element and photoelectric conversion device including the same | |
| US20120217475A1 (en) | Optoelectronic Devices Including Compound Valence-Band Quantum Well Structures | |
| US9548414B2 (en) | Optical device based on bismuth-containing III-V compound multilayer semiconductors | |
| Wang et al. | A superlattice solar cell with enhanced short-circuit current and minimized drop in open-circuit voltage | |
| JP7729299B2 (en) | Semiconductor photodetector | |
| JP7854444B2 (en) | Architecture of InGaAs/GaAsSb superlattices on InP substrates | |
| JP6030971B2 (en) | Light receiving element and solar cell provided with light receiving element | |
| JP7764826B2 (en) | Semiconductor photodetector | |
| Ajnef et al. | GaAs-based strain-balanced GaNxAs1-x-yBiy type-I and-II multi-quantum wells for near-infrared photodetection range | |
| US12622072B2 (en) | Semiconductor photodetector | |
| JP7422955B1 (en) | Semiconductor photodetector and method for manufacturing semiconductor photodetector | |
| JPH0656900B2 (en) | Semiconductor optical device | |
| US12295188B2 (en) | Infrared optical device | |
| CN113272974A (en) | Semiconductor light emitting element and method for manufacturing semiconductor light emitting element | |
| US20260040716A1 (en) | Semiconductor light-receiving device | |
| JP2017199711A (en) | Light receiving element | |
| TWI899596B (en) | Semiconductor light emitting element and method for manufacturing the same | |
| Sidhu et al. | GaAsSb resonant-cavity enhanced avalanche photodiode operating at 1.06 µm | |
| JP2762004B2 (en) | Light receiving element | |
| JP2011082348A (en) | Semiconductor element and semiconductor wafer | |
| JP3157509B2 (en) | Semiconductor light receiving element | |
| JP7785588B2 (en) | Infrared sensor | |
| JP7435786B2 (en) | receiver | |
| JP2026010860A (en) | Semiconductor photodetector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20250620 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20250620 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250715 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250728 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7729299 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |